Introdução ao Tema

Este trabalho tem a importância de conceituar, por meios de diferentes perceções, o DNA extranuclear, bem como explorar as suas funções, onde se localiza e quais as maiores relevâncias que este trouxe para o mundo.

Como adquirimos o conhecimento a partir do estudo no 11º ano, o DNA encontra-se maioritariamente no núcleo, funcionando como material genético transportador de informações.

O genoma humano consiste na sua grande maioria em DNA, necessário para especificar todos os aspetos da embriogénese, do desenvolvimento, do crescimento, do metabolismo e da reprodução.

 Contudo, iremos demonstrar-vos ao longo do nosso trabalho que este também está localizado fora do núcleo, situando-se nas mitocôndrias e nos cloroplastos, organelos cujas definições já foram estudadas no ano anterior.

Para além disso, tencionamos elucidar-vos quanto a esta descoberta conseguida através da teoria endossimbiótica e, como curiosidade, intensificaremos a importância da descoberta do DNA extranuclear tanto no passado como atualmente

O que é e como se organiza o material genético?

O material genético de uma célula pode estar sob a forma de DNA ou RNA.

Na espécie humana este encontra-se sob a forma dum ciclo diplóide e localiza-se essencialmente no núcleo das células, constituindo 23 pares de cromossomas, que armazenam a informação genética do ser vivo. 

A função do núcleo é então controlar a expressão genética e mediar a replicação do DNA durante o ciclo celular. No entanto, o DNA encontra-se distribuída de forma diferente nos diversos seres vivos.

Como se organiza nos diferentes seres?

Nos seres eucariontes, a fertilização dá-se com a união de um espermatozoide e um óvulo, em que o número diploide da espécie passa a ser reconstituído na célula ovo.

Assim, sem exceção, nos indivíduos da espécie, cada progenitor contribui com 23 cromossomas na formação de cada um dos seus descendentes. Como os cromossomas são elementos formados pelo ácido desoxirribonucleico (DNA), observa-se, na espécie humana, que o DNA é herdado quantitativa e qualitativamente, na proporção de 50%, de cada um dos progenitores.
Nos seres procariontes, o material genético encontra-se particularmente armazenado no citoplasma, na forma de um só cromossoma circular de elevadas dimensões.

Todavia, o material genético pode encontrar-se fora do núcleo.

Como se encontra então organizado o material genético extranuclear?

Este pode estar armazenado nas mitocôndrias, no caso de uma célula animal e no caso de uma célula vegetal, para além de poder encontrar-se nas mitocôndrias, pode também estar armazenado nos cloroplastos.

Passaremos em seguida a explorar e a explicar cada um destes organelos e suas funções.

Mitocôndrias – o seu DNA

As células humanas possuem nas mitocôndrias cerca de 37 genes responsáveis pela produção de proteínas envolvidas na respiração celular, tendo na sua constituição DNA mitocondrial. Este DNA (mtDNA) é de origem extranuclear e o seu genoma circular localiza-se no citoplasma das células. Este organelo é bastante procurado nos estudos forenses sendo essencial ao estudo de tecidos antigos e arqueológico como os ossos, os dentes e os cabelos, uma vez que possui numa só célula mais de 5000 cópias de DNA. 

Devido à sua localização está presente em grande quantidade nas células bem mais do que o DNA do núcleo celular.

Uma das características de interesse deste DNA é o seu caráter monoclonal, uma vez que um indivíduo apresenta a mesma sequência. Entretanto, uma condição chamada de heteroplasmia pode existir, quando uma mesma pessoa apresentar mais de um tipo de mtDNA. Dessa maneira, a análise de fios de cabelo pode demonstrar resultados diferentes ou ambíguos. 

O mtDNA é um padrão de herança materna, ou seja, a sequência é idêntica para todos os familiares por parte de mãe (herança matrilinear). Este transmite todas as características à sua descendência, independentemente de ser do sexo masculino ou feminino, uma vez que o espermatozoide, devido à sua penetração, perde todas as mitocôndrias que possuía.

A importância do mtDNA

O interesse de análise do mtDNA está centrado na identificação de pessoas desaparecidas, que podem ser procuradas a partir do sangue de parentes, o que pode ajudar na pesquisa laboratorial por comparação aos mesmos.

É, para além disso, bastante utilizado para identificação humana em casos forenses, quando o material biológico se encontra degradado, devido por exemplo a incêndios e desastres aéreos. Não apresenta DNA nuclear, ou apresenta-o, em pequena quantidade – fragmentos de cabelo sem bulbo por exemplo – quando é muito antigo ou está em avançado grau de decomposição. Já a investigação de paternidade não é auxiliada por essa metodologia.
A análise do mtDNA tem ajudado a solucionar diversos casos na genética forense, sendo utilizada com sucesso por laboratórios dos EUA e Europa. Além disso permitiu o esclarecimento de casos considerados de impossível solução.
O DNA mitocondrial possui algumas características que o tornam distinto do DNA nuclear e, simultaneamente, facilitam a sua análise e tornam-no uma mais valia para evolução nuclear. As características a salientar são: não possuir histonas nem intrões, existirem diversas cópias de moléculas do DNA nas mitocôndrias, permitindo que existam diferentes alelos para o mesmo gene na mesma célula. Para além disso, tem uma taxa de mutação muito superior à do DNA nuclear, pois esta está frequentemente exposta aos radicais livres do oxigénio, faltando-lhe também as enzimas de reparação do DNA. Por fim, outra característica a apontar é o facto de não ocorrer crossing-over.

Desvantagens do mtDNA

Este material genético é uma das causas principais no aparecimento de inúmeros distúrbios funcionais e metabólicos, no processo de envelhecimento e nas doenças degenerativas crónicas.
Com a replicação das mitocôndrias podem existir mutações no DNA à medida que estas se dividem, o que condiciona o aparecimento das mesmas no material genético, provocando distúrbios em órgãos que dependem da fosforilação oxidativa.
O DNA mitocondrial contém herança materna e por isso é necessária a comparação de amostras do material genético de parentes (ex.: mãe, avó).
As doenças que estão diretamente ligadas à herança mitocondrial são raras, e normalmente afetam o sistema neuromuscular, como por exemplo: o Alzheimer, os Diabetes melito e a Neuropatia ótica hereditária de Líber (provoca cegueira permanente ou temporária, resultante de lesões no nervo ótico). 

Vantagens do mtDNA

  

A principal vantagem do DNA mitocondrial extranuclear é a sua  opulência em material genético. Numa célula é possível encontrar apenas duas cópias de DNA nuclear, enquanto que podem existir cerca de mil cópias do DNA mitocondrial, conseguindo assim extrair-se material genético a partir de fragmentos microscópicos (ex.: gota de sangue).
Este DNA não possui recombinação genética e o seu conteúdo é conservado entre os animais. Possui, também, genes com taxas de evolução diferentes.

As Curiosidades do mtDNA

O primeiro caso de identificação criminal através de exames de DNA ocorreu em 1985, na Inglaterra. Num pequeno condado, rodeado de montanhas, uma mulher foi estrupada e assassinada.
Através da análise de amostras de sangue e sémen, o assassino foi detido, revelando a importância para investigações criminais, através de evidências biológicas coletadas em cenas de crime.
Contudo, devem-se utilizar os conhecimentos científicos, tecnológicos e métodos de análise, para que essa associação seja feita de maneira correta.
O uso do DNA Forense na investigação criminal, não pode por si só provar a culpabilidade do criminoso ou a inocência do mesmo, mas estabelecer uma ligação entre a pessoa e a cena do crime. 

O perfil de DNA tem sido considerado um método relevante na identificação individual, pois a informação contida no DNA é determinada pela sequência como as letras do alfabeto genérico estão dispostas nos cromossomas. O DNA Forense baseia-se nos mesmos princípios fundamentais e usa as mesmas técnicas empregadas nas áreas da medicina e da genética, tornando-se a identificação humana por DNA uma ferramenta poderosa também para casos de paternidade.

Qualquer tipo de tecido ou fluido biológico pode ser utilizado como fonte de DNA, uma vez que são formados por células que possuem o DNA de interesse forense tanto no núcleo como nas mitocôndrias. Os tipos de amostras mais comuns são sangue, sémen, cabelo, saliva, urina, pele, unha, ossos, líquidos amnióticos, músculo, suor, fezes. 
Atualmente a identificação humana por DNA Forense, já é aceite em processos judiciais em todo o mundo, sendo inclusivamente possível a identificação de pessoas mortas, à dezenas, e até, à centenas de anos, utilizando DNA obtido de ossos ou dentes.
O exame de DNA para fins de identificação pessoal e determinação de paternidade é portanto considerado o maior avanço do século na área forense. Com o exame de DNA, a determinação de paternidade passou a atingir níveis de certeza absoluta, obtendo uma percentagem de probabilidade quase absoluta de 99,99 %.

Os estudos realizados ao nível do DNA mitocondrial, anunciaram dados importantes sobre a origem da nossa espécie. Devido ao conhecimento da mutação de diferentes genes e o número das suas sequências nucleotídicas que diferem duas ou mais espécies, é possível levar o DNA como um relógio, pois permite estimar o tempo em que os diferentes organismos divergiram de um astral comum.
Apoiando-se na análise do DNA mitocondrial e em dados provenientes de outros ramos científicos , nomeadamente, a paleontologia admite que incide em África a ancestralidade da espécie humana.
Evidências de DNA mitocondrial indicam que o homem moderno teve origem na África oriental há cerca de 200 000 anos. Atualmente os seres humanos estão distribuídos em toda a Terra, principalmente nos continentes e ilhas do planeta.
Os dados mais recentes do relógio molecular mitocondrial indicam que a população humana atual partilham um ancestral comum de uma mulher, que terá vivido há cerca de 170000 anos. 

Cloroplastos - Estrutura

Os cloroplastos são delimitados por uma membrana dupla tal como as mitocôndrias – o envelope, este possui membranas internas, externas e a membrana tilacoide, equivalente à membrana mitocondrial.
As membranas dos cloroplastos apresentam diversas semelhanças funcionais com as da mitocôndria, por exemplo o motivo pelo qual geram através da quimiossíntese o ATP.
A membrana externa do envelope deste organelo (tal como a da mitocôndria) possui porinas, sendo, por consequência, totalmente permeável a pequenas moléculas. Em contraste, a membrana interna é impermeável aos iões e metabolitos, que penetram o cloroplasto através da membrana por transporte, propriedades semelhantes às membranas da mitocôndria.
No interior deste organelo existe uma matriz amorfa chamada estroma que contém várias enzimas, grãos de amido, ribossomas e DNA.

Cloroplastos - Função

Semelhantes às mitocôndrias, os cloroplastos contêm também DNA extranuclear. Estes organelos são compostos por um pigmento chamado clorofila, capazes de absorver a energia eletromagnética da luz solar e de a converter em energia química por um processo denominado fotossíntese e, tal como as mitocôndrias, os cloroplastos atuam na produção de energia metabólica. Para além disto, têm o seu próprio sistema genético e reproduzem-se através de sucessivas divisões.

NOTA:

• As células vegetais e as algas verdes possuem um grande número de cloroplastos, de forma esférica ou ovóide, variando de tamanho de acordo com o tipo celular, e são bem maiores que as mitocôndrias.
• O genoma deste organelo consiste numa pequena molécula de DNA circular, com características muito semelhantes às das mitocôndrias e das bactérias.
• Todavia, é de realçar que o DNA dos plastídios ocorre em maior quantidade e é mais complexo do que da mitocôndria. Existem, portanto, 30 a 200 cópias de DNA por organelos contendo aproximadamente 120 genes.
• Por serem maiores e mais complexos que as mitocôndrias, os cloroplastos executam outros tipos de tarefas importantes para além da produção de ATP (Energia).

Teoria Endossimbiótica

É de relembrar que um dos argumentos a favor da teoria endossimbiótica enraíza no facto de tanto as mitocôndrias como os cloroplastos serem organelos semi autónomos capazes de se reproduzirem sozinhos e transmitirem os seus genes aos organelos-filhos.
Para além disto, relativamente ao DNA, encontra-se associada uma experiência acerca do padrão de transmissão de características hereditárias. Esta experiência foi realizada por Carl Correns, em 1909, relacionado com os genes extranucleares. Consistia, portanto, em estudar a coloração das folhas de Mirabilis jalapa. Contudo, foi de notar que esta planta não obedecia à lei da segregação mendeliana, dado que a pigmentação das folhas dependia apenas do gâmeta feminino.
Um estudo mais aprofundado demonstrou então que a cor das folhas era determinada pelos genes presentes nos plastídeos (cloroplastos). É de destacar, que na maioria das plantas o zigoto recebe todos os cloroplastos do citoplasma do gâmeta feminino, excluindo assim, a intervenção da linha masculina.

Diferentes Tipos de DNA

Por fim, e para completar a nossa informação, apresentaremos diferentes tipos de DNA, dos quais se nomeiam:

• O DNA que codifica os genes funcionais - na maioria das vezes ocorre apenas uma cópia, mas aquando da sintetização do RNA podem surgir mais cópias por genoma.
• O repetitivo – compõe sequências com ou sem sentido originando assim, neste último exemplo, os centrómeros e os telómeros.
• O espaçador - corresponde a todas as unidades que ainda não foram identificadas e que se encontram sem função aparente (DNA lixo).

CONCLUSÃO

Com este trabalho condensamos que cada célula carrega a sua própria cópia do genoma humano contendo de acordo com as estimativas atuais cerca de 25.000 genes. 
Os genes, que se definem como unidades de informação genética, são codificados no DNA do genoma e organizados em cromossomas no núcleo de cada célula. 
A influência dos genes e da genética no estado de saúde e doença é profunda e as suas raízes são encontradas nas informações codificadas no DNA que compõe o genoma humano.Sabe-se então que cerca de 99% do DNA se encontra no núcleo da célula e que a restante percentagem está presente nas mitocôndrias e os cloroplastos. Para além disso, apreendemos que este DNA, embora extranuclear, também é relevante para um ser.
A partir da análise do mesmo, apercebemo nos da importância que este teve e tem para alguns estudos e descobertas revolucionárias, nomeadamente no desenvolvimento de técnicas forenses.
Hoje em dia a ciência forense usa o teste de DNA nos julgamentos de acusações complexas e sérias solucionando questões que antes eram de caráter impossível de resolver.Outro ponto crucial, é o facto do exame de DNA se ter tornado de extrema importância para fins de identificação pessoal e determinação de paternidade sendo considerado o maior avanço do século na área forense.